DE102007051871A1

DE102007051871A1 - Mikromechanisches Bauelement und Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements

Info

Publication number: DE102007051871A1
Application number: DE102007051871A
Authority: DE
Inventors: Fouad Bennini; Wolfgang Fuerst; Lars Tebje
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-07
Also published as: EP2205983A2; WO2009056413A2; CN101842709A; WO2009056413A3; US20100206072A1

Abstract

Es wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, wobei das mikromechanische Bauelement Festelektroden und eine seismische Masse aufweist, wobei die seismische Masse über Aufhängeelemente mit einem Trägersubstrat verbunden und gegenüber diesem beweglich ist und wobei die seismische Masse Gegenelektroden aufweist, welche über eine erste elektrisch leitfähige Verbindung miteinander verbunden sind und wobei ferner die Festelektroden Messelektroden und abgekoppelte Elektroden aufweisen, wobei die Messelektroden als elektrisches Auswertungsmittel und die den abgekoppelten Elektroden gegenüberliegenden Gegenelektroden als frequenzbandveränderndes mechanisches Element fungierend vorgesehen sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche mikromechanischen Bauelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 19817 357 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, welcher ein Trägersubstrat und eine seismische Masse aufweist, wobei eine Beschleunigung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats eine Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Trägersubstrat bewirkt und die Auslenkung kapazitiv durch fest mit der seismischen Masse verbundenen Elektroden und fest mit dem Trägersubstrat verbundenen Gegenelektroden erfolgt. Die elektrische Grundkapazität der beweglichen Masse ist ebenso wie die Dämpfung der Auslenkungsbewegung der seismischen Masse von der Anzahl der Elektroden abhängig und daher miteinander gekoppelt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben den Vorteil, dass gegenüber dem Stand der Technik eine Entkopplung der elektrischen Grundkapazität der Elektroden von der Frequenzbandmodifikation durch die Elektroden erzielt wird. Die elektrische Grundkapazität wird im Wesentlichen durch Akkumulation der Einzelkapazitäten zwischen den beweglichen Gegenelektroden und den zugehörigen bzw. gegenüberliegenden Festelektroden gebildet. Vorteilhaft ist hierbei eine geringe Grundkapazität, wobei insbesondere die Verwendung kleinerer Referenzkapazitäten ermöglicht wird, welche ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement, bevorzugt einen Beschleunigungssensor, auf einer vergleichsweise kleinen Trägersubstratfläche ermöglicht. Gleichzeitig bestimmt die Anzahl der Gegenelektroden das Frequenzband der mechanischen Auslenkung der seismischen Masse, welche besonders vorteilhaft je nach Anforderung an das mikromechanische Bauelement im Herstellungsprozess entsprechend angepasst wird. Eine Entkopplung von Grundkapazität und Frequenzband wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass lediglich ein Teil der Festelektroden elektrisch kontaktiert sind und als Messelektroden fungieren. Im Wesentlichen bestimmen die Messelektroden die elektrische Grundkapazität der seismischen Masse, während die den abgekoppelten Elektroden gegenüberliegenden Gegenelektroden an der seismischen Masse nur als frequenzbandverändernde mechanische Elemente fungieren, weil die abgekoppelten Elektroden beispielsweise mit der seismischen Masse kurzgeschlossen sind und somit keine elektrische Kapazität zwischen beiden wirksam ist. Die Lageänderung und/oder die Bandbreitenmodifikation des Frequenzbandes der Relativbewegung der seismischen Masse gegenüber dem Trägersubstrat bei auftretenden Beschleunigungskräften in der Trägersubstratebene wird durch eine Veränderung der Gesamtmasse der seismischen Masse mittels einer Änderung der Gegenelektrodenanzahl, welche gegenüber den abgekoppelten Elektroden liegen, bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen erzielt, wobei die Änderung der Gegenelektrodenanzahl durch eine Anpassung der Anzahl der abgekoppelten Elektroden bewirkt wird. Folglich ist eine Optimierung des Frequenzverhaltens an die gewünschten, zu messenden Beschleunigungskräfte in der Trägersubstratebene möglich, ohne die Grundkapazität zu verändern. Bevorzugt ist eine weitere Modifikation des Frequenzverhaltens der seismischen Masse durch Reibungskräfte zwischen den Gegenelektroden, welche den abgekoppelten Elektroden gegenüberliegen, und einem gasförmigen Medium im mikromechanischen Bauelement möglich, wobei besonders bevorzugt durch einen geeigneten Gasdruck im mikromechanischen Bauelement das Frequenzverhalten weiter modifizierbar ist. Insbesondere ist hierdurch eine Anpassung des Dämpfungsverhaltens des mikromechanischen Bauelements möglich. Durch die erfindungsgemäße Entkopplung von Grundkapazität und Frequenzband ist es daher gegenüber dem Stand der Technik besonders vorteilhaft möglich, eine kleine Grundkapazität mit variabel einstellbarem Auslenkungsfrequenzband der seismischen Masse zu realisieren. Insbesondere ermöglicht die geringe Grundkapazität der Elektroden eine geringe Referenzkapazität und daher eine vergleichsweise geringe benötigte Trägersubstratfläche und somit eine erhebliche Kostenersparnis bei der Herstellung und eine wesentliche Vereinfachung der mikroelektronischen Implementierung des mikromechanischen Bauelements.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist wenigstens eine Messelektrode ein Elektrodenpaar auf, wobei die Gegenelektrode zwischen der Elektrode des Elektrodenpaares angeordnet ist und wobei die Elektroden des Elektrodenpaares auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegend vorgesehen sind. Vorteilhaft ermöglicht diese Struktur ein differentielles Auswerten der elektrischen Spannungen des Elektrodenpaares mit allen bekannten Vorteilen der differentiellen Schaltungstechnik, insbesondere der Erhöhung der Messgenauigkeit und der Verbesserung der Rauschempfindlichkeit gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Störungen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Elektrodenpaar eine erste und eine zweite Elektrode auf, wobei die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden einer Vielzahl von Elektrodenpaaren jeweils über eine dritte und eine vierte elektrisch leitfähige Verbindung miteinander verbunden vorgesehen sind. Vorteilhaft akkumuliert sich daher die elektrische Kapazität der Vielzahl von ersten und zweiten Elektroden und es wird eine gemeinsame Auswertung der Elektrodenpaare ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die abgekoppelten Elektroden zumindest teilweise über fünfte elektrisch leitfähige Verbindungen miteinander verbunden vorgesehen. Solche elektrisch leitfähigen Verbindungen sind besonders im Hinblick auf Streukapazitäten, insbesondere dadurch dass diese eindeutig definierbar und daher kompensierbar sind, von Vorteil.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen den fünften elektrisch leitfähigen Verbindungen und den Gegenelektroden zusätzliche sechste elektrisch leitfähige Verbindungen vorgesehen, so dass insbesondere die abgekoppelten Elektroden mit der seismischen Masse elektrisch verbunden sind. Besonders vorteilhaft fungiert somit keine elektrische Kapazität zwischen den abgekoppelten Elektroden und der seismischen Masse.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements, wobei die elektrische Auswertung der Relativbewegung der Gegenelektrode zur Messelektrode lediglich mittels der Messelektrode durchgeführt wird und die mechanische Dämpfung, insbesondere eine Verschiebung, Verbreiterung und/oder Schmälerung des Frequenzbandes, der Relativbewegung mittels der den abgekoppelten Elektroden gegenüberliegenden Gegenelektroden erzielt wird. Dadurch wird vorteilhaft die Entkopplung von der Grundkapazität der Gegenelektroden gegenüber der Festelektroden und der Dämpfung der seismischen Masse durch die Gegenelektroden erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt eine elektrische Auswertung der Relativbewegung durch eine Vielzahl miteinander verbundener erster und zweiter Elektroden der Elektrodenpaare. Vorteilhaft erfolgt durch diese Art der Auswertung eine Akkumulation der elektrischen Kapazitäten der Vielzahl der ersten und zweiten Elektroden und es wird eine gemeinsame Auswertung der Elektrodenpaare ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform und
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Elektrodenpaares und einer Gegenelektrode eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements der beispielhaften Ausführungsform.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Darstellung zeigt ein mikromechanisches Bauelement 1, insbesondere einen Teilbereich eines Beschleunigungssensors, wobei das mikromechanische Bauelement 1 Festelektroden und eine seismische Masse 19 aufweist, wobei die seismische Masse 19 über Aufhängeelemente 5 mit einem Trägersubstrat 18 verbunden und gegenüber diesem beweglich ist und wobei die seismische Masse 19 Gegenelektroden 4 aufweist, welche über eine erste elektrisch leitfähige Verbindungen 8 miteinander verbunden sind und wobei die Festelektroden 3 Messelektroden 7 und mit den Messelektroden 7 nicht über elektrisch leitfähige Verbindungen verbundene abgekoppelte Elektroden 6 aufweisen. Die Messelektroden 7 umfassen jeweils ein Elektrodenpaar 11, wobei das Elektrodenpaar 11 jeweils eine erste und eine zweite Elektrode 12, 13 aufweist und wobei die ersten Elektroden 12 und die zweiten Elektroden 13 aller Elektrodenpaare 11 jeweils über dritte und vierte elektrisch leitfähige Verbindungen 14, 16 miteinander verbunden sind. Die abgekoppelten Elektroden 6 sind zumindest teilweise über fünfte elektrisch leitfähige Verbindungen 15 miteinander verbunden.
In 2 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Elektrodenpaares und einer Gegenelektrode eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements der beispielhaften Ausführungsform illustriert. Dargestellt sind zwei Plattenkondensatoren 23, 24, welche jeweils eine Messelektrode und eine Gegenelektrode 4 umfassen. Die kurzgeschlossenen Kondensatorplatten 4 stellen die Gegenelektrode 4 und die äußeren Kondensatorplatten 12, 13 die erste und die zweite Elektrode 12, 13 des Elektrodenpaares 11 dar, wobei die erste und die zweite Elektrode 12, 13 jeweils über die dritte und die vierte leitfähige Verbindung 14, 16 mit weiteren nicht-abgebildeten ersten und zweiten Elektroden verbunden sind. Die Gegenelektrode 4 ist ein Teil der seismischen Masse und mit weiteren nicht-abgebildeten Gegenelektroden über die erste elektrisch leitfähige Verbindung 8 verbunden, wobei eine Auslenkung der seismischen Masse aus der Ruhelage durch eine auftretende Beschleunigungskraft in der Ebene des Trägersubstrats 18 eine Veränderung des Abstands der Kondensatorplatten in den Plattenkondensatoren 23, 24 derart bewirkt, dass die Kapazität des einen Plattenkondensators erhöht und gleichzeitig die Kapazität des anderen Plattenkondensators erniedrigt wird. Die Veränderung der Kapazitäten in den jeweiligen Plattenkondensatoren 23, 24 wird durch Spannungssignale auf den leitfähigen Verbindungen 14, 16 detektiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19817357 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauelement (1), wobei das mikromechanische Bauelement (1) Festelektroden (3) und eine seismische Masse (19) aufweist, wobei die seismische Masse (19) über Aufhängeelemente (5) mit einem Trägersubstrat (18) verbunden und gegenüber diesem beweglich ist und wobei die seismische Masse (19) Gegenelektroden (4) aufweist, welche über eine erste elektrisch leitfähige Verbindung (8) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektroden (3) Messelektroden (7) und abgekoppelte Elektroden (6) aufweisen, wobei die Messelektroden (7) als elektrisches Auswertungsmittel und die den abgekoppelten Elektroden (6) gegenüberliegenden Gegenelektroden (4) als frequenzbandveränderndes mechanisches Element fungierend vorgesehen sind.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Messelektrode (7) und einer abgekoppelten Elektrode (6) lediglich eine hochohmige Verbindung vorgesehen ist.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messelektrode (7) ein Elektrodenpaar (11) umfasst, wobei die Gegenelektrode (4) zwischen den Elektroden des Elektrodenpaares (11) angeordnet ist und wobei die Elektroden des Elektrodenpaares (11) auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegend vorgesehen sind.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektrodenpaare (11) jeweils eine erste und eine zweite Elektrode (12, 13) aufweisen, wobei die ersten Elektroden (12) und die zweiten Elektroden (13) einer Vielzahl von Elektrodenpaare (11) jeweils über eine dritte und eine vierte elektrisch leitfähige Verbindung (14, 16) miteinander verbunden vorgesehen sind.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekoppelten Elektroden (6) zumindest teilweise über fünfte elektrisch leitfähige Verbindungen (15) miteinander verbunden vorgesehen sind.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den fünften elektrisch leitfähigen Verbindungen (15) und den Gegenelektroden (4) zusätzliche sechste elektrisch leitfähige Verbindungen vorgesehen sind.
Mikromechanisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauelement (1) als Beschleunigungssensor fungierend vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Auswertung einer Relativbewegung der Gegenelektrode (4) zur Messelektrode (7) lediglich mittels der Messelektrode (7) durchgeführt wird und eine mechanische Dämpfung der Relativbewegung mittels der den abgekoppelten Elektroden (6) gegenüberliegenden Gegenelektroden (4) erzielt wird.
Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Bauelements (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswertung der Relativbewegung durch wenigstens eine Messelektrode (7) mittels eines Elektrodenpaares (11), wobei die Gegenelektrode (4) zwischen den Elektroden des Elektrodenpaares (11) angeordnet ist, durchgeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines mikromechanische Bauelements (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Auswertung der Relativbewegung durch eine Vielzahl miteinander verbundener erster und zweiter Elektroden (12, 13) der Elektrodenpaare (11) durchgeführt wird.